非编码区

非编码RNA与表达调控作用

张雅慧;刘昕;钟建铭;周兴涛

【摘要】真核生物转录产生了大量的非编码RNA(ncRNA),种类繁多﹑表达及调节

模式复杂多样,且对细胞的生长是必须的,并非是转录的"垃圾".根据功能,ncRNA可

以大致分成"持家RNA"与"调控RNA".ncRNA在遗传信息的载体(DNA和染色质)

与表达产物(蛋白质)的相关生物过程中都有着极其重要的作用.

【期刊名称】《江西科学》

【年(卷),期】2010(028)002

【总页数】4页(P199-202)

【关键词】非编码RNA(ncRNA);反式RNA;长非编码RNA;调控

【作者】张雅慧;刘昕;钟建铭;周兴涛

【作者单位】南昌大学生命科学学院基因表达调控实验室,江西,南昌,330031;南昌

大学生命科学学院基因表达调控实验室,江西,南昌,330031;南昌大学生命科学学院

基因表达调控实验室,江西,南昌,330031;南昌大学生命科学学院基因表达调控实验

室,江西,南昌,330031

【正文语种】中文

【中图分类】Q786

多年来,研究人员对人类基因组的关注主要集中在编码蛋白质的基因和蛋白质本身。

随着人类基因组计划的完成和哺乳类转录组数据的不断积累,揭示出人类和其他高

等真核生物的遗传物质只有极小一部分编码蛋白质[1],而超过97%的转录产物是功

能多样的RNA分子,即非编码RNA(non-codingRNA,ncRNA)[2],是指不编码蛋

白质的RNA。近年来,随着新ncRNA分子的相继涌现,特别是siRNA和miRNA

的发现,使得研究人员洞察到了ncRNA作为细胞活动的调控因子的巨大潜力[3],大

大扩展了人们对基因转录调控复杂性的认识,回答了人们对基因组中非编码序列存

在意义的部分困惑。对ncRNA的研究将日益成为功能基因组研究的热点。

ncRNA的共同特点是都能从基因组上转录而来,但是不翻译成蛋白,在RNA水平上

就能行使各自的生物学功能。ncRNA中研究得较深入的2种：反义

RNA(antinRNA)和长非编码RNA(longnon-codingRNA,lncRNA),本文将

对这两类ncRNA做一综述。

真核生物基因表达调控与原核生物有很大的差异。真核生物基因的结构主要包括编

码区、非编码区和一些调控元件。ncRNA可以通过DNA水平、转录前水平、转

录水平、转录后水平、翻译和翻译后水平等途径来调控基因的表达。

反义RNA是指与mRNA互补的RNA分子,也包括与其它RNA互补的RNA分子。

细胞中反义RNA的来源有2种途径：第1种是反向转录的产物,在多数情况下,反

义RNA是特定靶基因互补链反向转录产物,即产生mRNA和反义RNA的DNA

是同一区段的互补链。第2种来源是不同基因产物,如OMPF基因[4]是大肠杆菌

的膜蛋白基因,与透性有关,其反义基因MICFZE则为另一基因。反义RNA最早是

在的产肠杆菌素的ColE1质粒[5]中发现的,此后在原核生物、真核生物中发

现了一系列的反义RNA。反义RNA可以与正义RNA形成dsRNA来调节正义基

因的表达。这种调节作用,从目前的研究来看,大多是负调控,但正调控作用也是很有

可能存在的[6]。

通过反义RNA控制mRNA的翻译是原核生物基因表达调控的一种方式。在原核

生物中反义RNA具有多种功能,例如调控质粒的复制及其接合转移,抑制某些转位

因子的转位,对某些噬菌体溶菌-溶源状态的控制等。近几年来通过人工合成反义

RNA的基因,并将其导入细胞内转录成反义RNA,即能抑制某特定基因的表达,阻断

该基因的功能,有助于了解该基因对细胞生长和分化的作用。反义RNA是如何调控

基因表达的呢?因为基因的表达调控会受到各种环境因素的影响,而且重要的是它还

会受各种顺式作用元件和反式作用因子的调控,为此科学家们建立了相应的调控模

型进行研究。

在细菌中,反义RNA作为主要的调控元件来控制质粒的数量及复制频率,如在

ColE1[7]质粒中,ColE1质粒的复制由RNAII启始,RNAII会与质粒的DNA链结

合,在RNAH酶的作用下,DNA链断裂,复制开始。反义RNAI与RNAII在5’端

有70%的互补序列,两者结合后,阻碍了RNAII与质粒DNA的结合,进而抑制了质

粒的复制。

胶原蛋白α1[8]是皮肤、骨骼的重要组成部分,在鸡的软骨细胞中,正常情况下,正义

的胶原蛋白α1mRNA的量很少,而反义RNA的量很多,但当有BrdU诱导时,正义

的胶原蛋白α1mRNA的量增加,而反义RNA的量减少,说明在不同的环境下,胶原

蛋白α1正义RNA和反义RNA序列的启动子强弱不同,进而调节细胞的生长,反义

RNA可能会抑制正义RNA的转录,使得转录提前终止或抑制转录的延伸。翻译起

始因子eIF-2α[9]中也有类似的情况。

各种基因转录产物RNA,必须经过转录后的加工才能成为有活性的分子。反义

RNA的作用方式与衰减子的作用方式相似,以反式作用对转录过程本身进行调控。

研究得较深入的反义RNA调控基因转录后水平的例子是c-erbAα[10]编码的3个

相关蛋白,在c-erbAα的正义链上由于可变剪切可以得到2种c-erbAαmRNA：

cerbAα1和c-erbAα2。在正常组织中表达或诱导反义rev-erbAαmRNA(其3’

端与c-erbAα2的最后一个外显子互补)会降低c-erbAα2mRNA的量,而增加c-

erbAα1mRNA的量。但c-erbApremRNA的转录效率及稳定性都没有改变,说

明rev-erbAαmRNA的表达可能影响了c-erbApremRNA的加工成熟。

bFGF[11]是细胞中胚层形成过程中非常重要的分裂素,其反义RNAgfg与其第3

个外显子完全互补,在细胞中正义和反义的RNA都组成型表达,但在受精时,反义

RNA的量不变,而正义bFGFRNA降解,通过实验发现,在正义和反义RNA互补区

腺苷转换成肌苷,增强了核酶对其双链RNA的作用,使RNA降解。

反义RNA在翻译水平的调控主要表现在3个方面：(1)直接作用于其靶mRNA的

SD序列或编码区,直接抑制翻译或与靶mRNA结合后导致该双链RNA分子对

RNA酶Ⅲ的敏感性增加,使其降解;(2)与mRNA的SD序列上游非编码区结合,引起

mRNA构象变化,抑制翻译。推测可能是由于反义RNA与靶mRNA的上游序列结

合后引起核糖体结合位点区域的二级结构发生改变,阻止了核糖体的结合;(3)与

mRNA5’端编码区,主要是与起始密码子结合,抑制翻译起始。Lin-14蛋白[12]是

一个控制线虫早期生长的蛋白,在线虫生长过程中,Lin-14mRNA的量保持不

变,Lin-14蛋白的量却显著减少,说明在翻译水平上有某种调控机制,在Lin-14

mRNA的3’UTR存在另一基因,它和Lin-14mRNA的3’UTR中七个保守的互

补元件LCE互补,反义RNA通过与正义Lin-14mRNA的3’UTR形成双链进而

阻碍翻译的进行。

科学家们已在人类、果蝇、小鼠、大豆、玉米[13,14]中发现了反义RNA,多年来,

人们以为反义RNA只是细胞产生的垃圾RNA,随着人们研究的深入,表明反义

RNA在调节正义基因的表达中有重要的作用。

许多ncRNAs非常长,大概50至几百个kb,在大多数情况下,ncRNAs的启动子位

于各种甲基化印迹控制区域内,此区域位于蛋白质编码基因的序列内[15]。虽然许

多长非编码RNA被检测到但只有Air[16]和Kcnq1ot1[17]这两者的功能研究得比

较透彻,Air的启动子位于lgf2r基因的第2个内含子中,其转录产物与lgf2r方向相

反,长约108kb。有报道显示它能影响跨度有400kb区域的重叠基因的表达。

Kcnq1ot1的启动子位于Kcnq1基因的第10个内含子中,其转录产物与Kcnq1方

向相反,其长约91kb。Kcnq1ot1的启动子在母本染色体上被甲基化而在父本染

色体上非甲基化,在父本中Kcnq1ot1RNA产物与8～10个蛋白质编码基因的沉

默相关联。与Xist-介导的XCI一样,Kcnq1ot1产物与异染色体组蛋白修饰

(H3K9me3和H3K27me3)的富集相关联。

有数据显示长的ncRNAs能起到指导和连接的作用。首先,长的ncRNAs能一直连

接在转录的位点上并特异的调节等位基因的表达,而蛋白质和小的RNAs却不能。

其次,长ncRNAs能对跨度很长的大片段进行调控作用并能对细胞的发育进行精确

的时空调控,蛋白质仍然没有这种能力。这些功能暗示了长的ncRNAs比小的

RNAs和蛋白质能更好的作为表观遗传的调节因子,尤其是对同座及等位基因特异

性的控制。

在后基因组时代,人们越来越关注于细胞为什么会消耗如此多的能量产生大量的

ncRNA。这些ncRNAs仅仅是基因组活动产生的无用的二级产物吗?还是它们编

码了有用的信息并对表观基因组具有重要的作用?值得深入研究。

ncRNA在真核生物基因组中使基因之间能直接的相互作用并行使多重功能,是细胞

内一种内源的控制因子。通过一系列复杂的遗传表型分析发现这些RNA参与了共

抑制,转基因的沉默,RNA干扰,印迹作用和甲基化作用。在高等真核生物中存在基

于RNA信号控制的更高级有序的调节系统,它们参与调节RNA-DNA、RNA-RNA、

RNA-蛋白质之间的相互作用以及染色体重塑。自然界中存在着众多的ncRNA,如

何鉴定所有的ncRNA及其功能是一大挑战,因为许多已解释或未能解释的现象中

都可能潜伏着ncRNA的作用。因此,在生物学研究中,应该将ncRNA纳入考虑的

范围。

“noi”.Broadlyspeaking,accordingtotheirfunctions,noncodingRNAs

canbedividedintotwoclass：“houkeepingRNAs”and“regulatory

noncodingRNAs”.ThencRNAsareinvolvedintheregulationof

expressionfrommediatingchromatinmodificationstotranslation.

【相关文献】

[1]ShabalinaSA,maliantranscriptomeandthefunctionof

non2codingDNAquences[J].GenomeBiol,2004,5：105.

[2]SevignaniC,CalinGA,SiracusaLD,ianmicroRNAs：asmallworldfor

fine2tuninggeneexpression[J].MammGenome,2006,17：189-202.

[3]MattickJS,LoweTM,Eddy,ngingthedogma：thehiddenlayerofnon-

protein-codingRNAsincomplexorganism[J].Bioessays,2003,25(10)：930-938.

[4]BegicS,tionofSerratiamarcescensompFandompCporingenesin

respontoosmoticstress,salicylate,temperatureandpH[J].Microbiology1,2006,52：485-

91.

[5]LacatenaRM,iringofRNA1withitscomplementaryquenceinthe

primerprecursorinhibitsColE1replication[J].Nature,1981,294：623-26.

[6]TerrynN,ofnaturallytranscribedantinRNAsinplants[J].Trends

PlantSci.,2000,5：394-396.

[7]AntinRNAcontrolinbacteria,phagesand

plasmids[J].AnnuRevMicrobiol,1994,48：713-742.

[8]FarrellCM,llyoccurringantintranscriptsarepretinchick

embryochondrocytessimultaneouslywiththedown-regulationofthealpha1Collage

gene[J].em,1995,270：3400-3408.

[9]SilvermanTA,NoguchiM,quenceswithinthefirstintroninthe

regulationofexpressionofeukaryoticinitiationfactor2α[J].J,,1992,267：9738-

9742.

[10]LazarMA,HodinRA,DarlingDS,memberofthethyroid/steroidhomone

receptorfamilyincodedbytheoppositestrandoftheratc-erbAαtranscription

unit[J].Mol,.,1989,9：1128-1136.

[11]KimelmanD,nmRNAdirectsthecovalentmodificationof

thetranscriptencodingfibroblastgrowthfactorinXenopusoocytes[J].Cell,1989,59：687-

696.

[12]WightmanBHaI,anscriptionalregulationoftheheterochronicgene

lin-14bylin-4mediatestemporalpatternformationinC[J].elegans,Cell.,1993,75：855-862.

[13]LehnerB,WilliamG,CampbellRD,ntranscriptsinthehuman

genome[J].TrendsGenet.,2002,18：63-65.

[14]HamiltonAJ,esofsmallantinRNAinposttranscriptional

genesilencinginplants[J].Science.,1999,286：950-952.

[15]PandeyRR,MondalT,MohammadF,1ot1antinnoncodingRNAmediates

lineage-specifictranscriptionalsilencingthroughchromatin-level

regulation[J].,2008,32：232-246.

[16]NaganoT,MitchellJA,SanzL.A,noncodingRNAepigeneticallysilences

transcriptionbytargetingG9atochromatin[J].Science,2008,322：717-1720.

[17]sfromX-chromosomeinactivation：longncRNAasguidesandtethers

totheepigenome[J].GenesDev.,2009,23：1831-1842.